粉煤灰对水泥基材料吸波特性的影响

高铁粉煤灰对水泥基材料吸波特性的影响*

黄煜镔1,钱觉时2,张建业2

(1.重庆大学土木学院,重庆400045;2.重庆大学材料科学与工程学院,重庆400045)

摘 要: 采用X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)、能量色散谱仪(EDS)分析粉煤灰中铁组分矿物组成和分布形态,对高铁粉煤灰颗粒电磁参数及复合高铁粉煤灰水泥浆体的吸波性能进行了试验研究。结果表明,粉煤灰中富集在球形颗粒表面的各种微细氧化铁晶体,是高铁粉煤灰产生电磁损耗的物质基础;高铁粉煤灰颗粒具有较高的介电常数和一定的磁导率,是以介电损耗型为主的电磁波有效损耗介质;高铁粉煤灰水泥基复合材料在2~8GH z波段范围内具有吸波性能,其最小反射率为-13.01dB,同时吸波能力可能与材料电导率有关。

关键词: 高铁粉煤灰;电磁参数;水泥基复合材料;吸波性能

中图分类号: TU528;TB34文献标识码:A 文章编号:1001 9731(2009)11 1787 04

1 引 言

信息化社会带来的电磁污染是一大公害,在继大气污染、水污染和噪音污染之后,电磁辐射已成为人类第四污染源[1]。由于建筑物空间内各种电磁辐射密度日益增强,电磁防护问题也逐步引起人们的关注[2]。常规电磁屏蔽的方法会带来电磁波的高反射,因此寻找低反射高吸收的材料成为国内外微波吸收材料的研究热点[3]。吸波材料是对电磁波能量具有高损耗特征的材料,而传统水泥基材料本身不具有很高的电磁损耗特性,所以需要掺加微波吸收组分以实现这一要求。

水泥基吸波材料的发展取决于吸波剂的研发。选择经济、有效的材料用于建筑吸波,是推广应用的前提。粉煤灰作为一种经济实用的活性矿物掺合料,是水泥混凝土材料生产过程中一种重要的原材料,尽管目前有关粉煤灰对于建筑材料性能的影响研究非常丰富,但对于组成差异很大的粉煤灰材料本身的电磁性能的研究却还没有引起关注。虽然,D.D.L.Chuang 等曾以Por tland水泥复合粉煤灰,测得在频率1.0和1.5GH z时的吸收性能为-4~-8dB,并认为这与粉煤灰中含有部分Fe2O3有关[4]。因此,对于高铁粉煤灰吸波性能的研究具有实际意义,不仅对建筑吸波材料的发展具有参考价值,也为粉煤灰的综合利用提供新途径。

2 原材料与试验方法

2.1 试验原材料

试验研究中采用的粉煤灰为重庆珞璜电厂的粉煤灰,水泥为重庆地维水泥厂生产的42.5R普通硅酸盐水泥,各自的化学组成见表1、2。

表1 试验用粉煤灰化学成分

T able1T he chemical constituents o f fly ash 粉煤灰产地化学成分(%)

F A重庆珞璜

SiO2A l2O3Fe2O3CaO M g O T iO2SO3烧失量43.5624.4520.92 4.830.91 1.520.58 2.04

表2 水泥化学成分

Table2The chemical constituents of cem ent

水 泥产地化学成分(%)

F A重庆地维

CaO SiO2A l2O3F e2O3M g O SO3烧失量55.5621.627.19 4.67 1.87 2.67 1.46

2.2 样品制备

将高铁粉煤灰与水泥颗粒按40 60比例混合后,采用0.4的水胶比加水搅拌,配置成有一定稠度的水泥基浆体,并在尺寸为180mm180mm20m m的模具中成型,1d后拆模,并在标准条件下养护28d。

2.3 材料性能测试

2.3.1 电磁特性测试

通过将粉煤灰颗粒与石蜡按1 4质量百分比进

*基金项目:国家自然科学基金资助项目(50702080)

收到初稿日期:2009 05 18收到修改稿日期:2009 07 14通讯作者:黄煜镔作者简介:黄煜镔 (1974-),男,福建闽清人,博士(后),副教授,主要从事土木建筑材料研究。

行配比,将粉煤灰颗粒分散到石蜡中。制成外径为7mm 、内径为3m m 、厚为2mm 的圆环状样品,采用同轴法测量材料S 和C 波段(频率范围为2~8GH z)的的复介电常数 和复磁导率 ,测试工作在北京航空材料研究院进行。2.3.2 吸波性能

采用弓形法测量S 和C 波段水泥粉煤灰浆体的反射率。测试系统由H P83751信号源、H P8757E 标量网络分析仪及测试天线组成,工作方式为扫频测量方式。

2.4 微观分析2.4.1 矿物组成

采用仪器为全自动X 射线衍射仪(D/M ax 1200型,日本理学公司),工作条件:CoK ,管电压40kV,管电流40mA 。

2.4.2 颗粒形貌与微区化学成分

利用扫描电子显微镜/能量色散谱仪(SEM /EDS)进行粉煤灰颗粒形貌及微区元素成分分析。实验仪器分别为德国LEO 公司SU PRA 35场发射扫描电子显微镜及美国热电公司NORAN System Six X 射线能谱仪。

3 试验结果分析

3.1 粉煤灰中的铁形态

粉煤灰中的铁组分一般认为主要来源于煤中的黄铁矿(FeS 2立方)等含铁矿物[5,6]。粉煤灰是燃煤电厂中磨细煤粉在锅炉中燃烧后从烟道排出及被收尘器收集的物质,因此煤灰中的铁元素的存在状态与煤的来源、种类、煤燃烧状况有很大的关系。杨南如等[7]用穆斯堡尔谱效应研究粉煤灰中的含铁相。结果表明,粉煤灰中的含铁化合物主要是:Fe 3O 4(大量)、 和!

Fe 2O 3、少量的氧化铁微晶和顺磁固溶体。张覃等[8]

则认为粉煤灰中的铁主要以钛磁铁矿[(TiO 2)FeOFe 2O 3]和赤铁矿(Fe 2O 3)形式存在。赵永椿等[6]对煤燃烧过程中铁矿物的迁移转化特性进行了一定的研究,认为富铁颗粒中铁氧化物相主要包括赤铁矿和磁铁矿,同时包括少量的磁赤铁矿和镁铁矿。对试验研究所采用的高铁粉煤灰采用XRD 进行分析,由图1的结果表明,粉煤灰中的铁多以赤铁矿和磁铁矿存在,少量以硅铝铁混合矿物的形式存在。

李辉等[9]对粉煤灰中的富铁颗粒!!!磁珠进行深入研究发现,粉煤灰中的磁珠以圆球状居多,大部分磁珠表面有粒状,针状,片状鱼鳞状等不同的几何形状的结晶。对高铁粉煤灰的表面形貌采用SEM 进行观测(图2),可以明显看出,试验所用的粉煤灰中的富铁颗粒,表面均有析晶物质。

对颗粒中的不光滑表面的颗粒进行了微区能谱扫描(图3),结果表明,颗粒表面的铁元素含量较高,这是

由于富铁颗粒在冷却过程中,内部的铁及其氧化物在

颗粒表面析晶形成的铁氧化物。

图1 粉煤灰XRD 图谱

Fig 1XRD diffraction pattern of fly ash

图2 粉煤灰富铁颗粒表面形貌

Fig 2Surface mo rpholo gy of high iro n fly ash parti

cals

图3 颗粒表面元素分析

Fig 3Surface elem ental analy sis of high iro n fly ash

particals